第3章 热力学第一定律讲解

《热力学第一定律》讲义在我们探索物理世界的奥秘时，热力学定律无疑是重要的基石之一。

今天，咱们就来好好聊聊热力学第一定律。

首先，咱们得弄清楚什么是热力学第一定律。

简单来说，热力学第一定律其实就是能量守恒定律在热现象中的应用。

它表明，在一个与外界没有物质和能量交换的孤立系统中，能量的形式可以相互转换，但能量的总量始终保持不变。

那为什么这个定律如此重要呢？想象一下，如果能量可以凭空产生或者消失，那这个世界岂不是乱套了？所以，热力学第一定律为我们理解和研究各种热现象提供了一个基本的准则。

为了更深入地理解这个定律，咱们来看看它的数学表达式。

一般来说，热力学第一定律可以表示为：ΔU ＝ Q ＋ W 。

这里的ΔU 表示系统内能的变化，Q 表示系统吸收或放出的热量，而 W 表示系统对外界所做的功或者外界对系统所做的功。

咱们先来说说内能。

内能是系统内部微观粒子热运动的动能和势能的总和。

比如说，一个气体系统，它的内能就包括气体分子的平动、转动和振动的动能，以及分子间相互作用的势能。

内能是一个状态量，只取决于系统的状态，而与系统的变化过程无关。

再说说热量 Q 。

热量是由于温度差而在系统与外界之间传递的能量。

当系统从外界吸收热量时，Q 为正值；当系统向外界放出热量时，Q为负值。

然后是功 W 。

功是系统与外界之间通过宏观的机械运动传递的能量。

当外界对系统做功时，W 为正值；当系统对外界做功时，W 为负值。

举个例子来帮助大家理解。

假设我们有一个绝热的容器，里面有一个被压缩的弹簧和一个活塞。

当我们松开活塞，弹簧推动活塞向外运动。

在这个过程中，系统没有与外界进行热交换，也就是 Q ＝ 0 。

但是弹簧的势能转化为了活塞的动能，系统对外做功，W 为负值。

同时，系统的内能减少，ΔU 为负值。

这就很好地体现了热力学第一定律，虽然能量的形式发生了变化，但总量不变。

热力学第一定律在实际生活中的应用那可真是无处不在。

比如汽车的发动机，燃料燃烧产生的能量一部分转化为机械能推动汽车前进，另一部分则以热能的形式散失到环境中。

《热力学第一定律》讲义一、热力学第一定律的引入在探索自然界的能量转化和守恒规律的过程中，热力学第一定律应运而生。

它是热力学的基础，对于理解各种热现象和能量转换过程具有至关重要的意义。

想象一下，我们生活中的各种能量形式，比如热能让我们感到温暖，机械能让机器运转，电能点亮灯光。

那么，这些不同形式的能量之间是如何相互转换的？又是否存在某种不变的规律呢？这就是热力学第一定律要回答的问题。

二、热力学第一定律的表述热力学第一定律可以表述为：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。

这看似简单的一句话，却蕴含着深刻的物理内涵。

它意味着我们的宇宙是一个封闭的能量系统，能量的流动和变化有着严格的规律可循。

为了更直观地理解这一定律，我们可以举几个例子。

比如，当我们燃烧煤炭来加热水时，煤炭中的化学能通过燃烧转化为热能，然后热能传递给水，使水的温度升高。

在这个过程中，总能量始终保持不变，只是能量的形式从化学能变成了热能。

又比如，汽车发动机通过燃烧汽油将化学能转化为机械能，从而驱动汽车前进。

虽然能量的形式发生了变化，但能量的总量并没有增加或减少。

三、热力学第一定律的数学表达式热力学第一定律可以用数学表达式来精确描述。

通常，我们用ΔU ＝ Q ＋ W 来表示。

其中，ΔU 表示系统内能的变化，Q 表示系统吸收或放出的热量，W 表示系统对外界做功或外界对系统做功。

当 Q 为正值时，表示系统吸收热量；当 Q 为负值时，表示系统放出热量。

当 W 为正值时，表示系统对外界做功；当 W 为负值时，表示外界对系统做功。

这个表达式清晰地展示了内能、热量和功之间的关系。

比如说，一个绝热容器中的气体被压缩，外界对气体做功，由于是绝热过程，没有热量交换（Q ＝ 0），根据表达式，气体的内能增加（ΔU ＞ 0）。

再比如，一个热的物体与一个冷的物体接触，热的物体向冷的物体传递热量（Q ＜ 0），如果没有做功过程（W ＝ 0），那么热物体的内能减少，冷物体的内能增加，但两者内能的总和不变。

《热力学第一定律》讲义在我们探索自然世界的奥秘时，热力学定律无疑是极为重要的基石。

而其中的热力学第一定律，更是为我们理解能量的转化和守恒提供了关键的理论依据。

那什么是热力学第一定律呢？简单来说，它表明了能量在转化和传递过程中，总量是保持不变的。

这就好像我们拥有一笔固定的财富，无论我们如何分配和使用它，这笔财富的总量始终不变。

为了更深入地理解热力学第一定律，我们先来了解一下能量的形式。

能量有多种表现形式，比如常见的热能、机械能、电能、化学能等等。

热能是由于物体内部分子的热运动而具有的能量；机械能则包括动能和势能，像物体的运动就具有动能，而被举高的物体具有重力势能；电能是电荷的运动所产生的能量；化学能则存在于物质的化学键中。

当一个系统发生变化时，比如一个热机在工作，它会涉及到能量的输入和输出。

假设这个热机从高温热源吸收了一定的热量 Q，同时对外做功 W，自身的内能也发生了变化，用ΔU 表示。

那么热力学第一定律就可以表示为：Q ＝ΔU ＋ W 。

这意味着什么呢？吸收的热量一部分用来增加系统的内能，另一部分则用于对外做功。

如果系统没有对外做功，那么吸收的热量就全部转化为内能的增加；反之，如果系统对外做了很多功，那么内能的增加就会相对较少。

举个例子，汽车的发动机就是一个很好的说明。

燃料燃烧产生的热量一部分转化为汽车前进的机械能，也就是对外做功，另一部分则以热能的形式散发出去，导致发动机温度升高，这就是内能的增加。

再来看一个日常生活中的例子，比如我们用电水壶烧水。

电能输入到水壶中，一部分转化为水的内能，使水温升高，另一部分则以热的形式散失到周围环境中。

热力学第一定律在实际应用中有着广泛的用途。

在能源领域，它帮助我们评估各种能源转换过程的效率。

比如在发电厂中，我们希望尽可能提高燃料燃烧产生的能量转化为电能的比例，减少能量的浪费。

通过对热力学第一定律的应用，工程师们可以分析和改进能源转换系统，以提高能源的利用效率。

《热力学第一定律》讲义一、热力学第一定律的引入在深入探讨热力学第一定律之前，让我们先思考一个日常生活中的现象。

当我们使用炉灶加热一锅水时，燃料燃烧释放出的能量使得水温升高。

那么，这些能量从何而来？又如何转化和守恒？这就引出了热力学研究的范畴，而热力学第一定律正是回答这些问题的关键。

想象一下，一个封闭的系统，比如一个绝热的容器。

如果对这个系统做功，或者向它传递热量，系统的内能就会发生变化。

这一简单而又深刻的观察，是热力学第一定律的基础。

二、热力学第一定律的表述热力学第一定律可以表述为：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。

用数学表达式来写就是：ΔU ＝ Q ＋ W 。

其中，ΔU 表示系统内能的变化量，Q 表示系统从外界吸收的热量，W 表示外界对系统所做的功。

需要注意的是，这里的功和热量都是有正负之分的。

当系统从外界吸收热量时，Q 为正值；当系统向外界放出热量时，Q 为负值。

当外界对系统做功时，W 为正值；当系统对外界做功时，W 为负值。

三、对表达式的深入理解让我们来详细解读一下这个表达式。

首先看热量 Q 。

热量的传递是由于系统与外界之间存在温度差。

例如，将一杯热水放在室温环境中，热水会逐渐冷却，这是因为热水向周围环境散失了热量。

再看功 W 。

功的形式多种多样，比如压缩气体时，外界对气体做功；气体膨胀时，气体对外界做功。

而内能ΔU ，它是系统内部微观粒子的动能和势能的总和。

当系统的温度升高时，微观粒子的运动加剧，内能增加；当系统的体积变化或者物质的状态改变时，内能也会相应地发生变化。

举个例子，假如我们对一个气缸中的气体进行压缩，在这个过程中，外界对气体做功，同时气体与外界没有热交换（绝热过程），那么气体的内能就会增加，表现为温度升高。

四、热力学第一定律的应用热力学第一定律在许多领域都有着广泛的应用。

在热机中，燃料燃烧产生的热量一部分用于对外做功，一部分散失到环境中。

通过热力学第一定律，我们可以计算热机的效率，找到提高热机效率的途径。

第三章热力学第一定律第一节 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质是能量守恒与转换定律。

能量守恒与转换定律的核心内容就是：自然界中一切物质都具有能量，能量既不可能被创造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变为另一种形式，在转换中，能量的总量恒定不变。

量守恒与转换定律是人类对长期实践经验和科学实验的总结，是自然界的一个基本规律。

将能量守恒与转换定律应用于热力学所研究的与热能相关的能量传递与转换，得到的就是热力学第一定律。

热力学第一定律有许多种表述方法。

历史上，最早的表述为：“热可以变为功，功也可以变为热。

消失一定量的热时，必产生数量相当的功；消耗一定量的功时，亦必出现相应数量的热”。

当初所以这样表述，是因为在热力学第一定律提出之前，对于热的认识还很模糊，热量的单位与功的单位也不统一，导致表述比较繁杂。

最早的另外一种表述为：“第一类永动机是不可能制造成功的”。

所谓第一类永动机是一种不花费能量就可以产生动力的机器。

历史上，有人曾幻想要制造这种机器，但由于违反了热力学第一定律能量守恒的原则，结果总是失败。

这种表述是从反面说明要得到机械能必须花费热能或其它能量。

热力学第一定律可以简单地表述为：在热能与其它形式的能量互相转换时，能的总量保持守恒。

热力学第一定律是热力学的基本定律，是热力过程能量传递与转换分析计算的基本依据。

它普遍适用于任何工质、任何过程。

用热力学第一定律分析一个发生能量传递与转换的热力过程时，首先需要分析列出参与过程的各种能量，依据热力学第一定律能量守恒的原则，建立能量平衡方程式。

对于任何一个具体的热力系所经历的任何热力过程，热力学第一定律能量平衡方程式都可以一般地表示为：进入系统的能量一离开系统的能量 =系统储存能的变化（3-1）（3-1）式是一种以热力系为对象，用方程式的形式对热力学第一定律的表述。

它的成立，并不依赖系统某种工质或某个热力过程的个别属性，所依据的仅是热力学第一定律能量守恒的原则。